Wielkie zderzacze cząstek, takie jak te w CERN-ie, to gigantyczne konstrukcje rozciągające się na dziesiątki kilometrów. Ale co, jeśli to samo można zrobić… w pojedynczej cząsteczce? Naukowcy z MIT i Uniwersytetu Johnsa Hopkinsa zaprezentowali rewolucyjny sposób badania wnętrza atomów, wykorzystując mikroskopijną strukturę molekularną jako naturalny akcelerator cząstek.
Ich „urządzenie” mieści się w cząsteczce monofluorku radu (RaF) – układzie złożonym z atomu radu i fluoru. To właśnie elektrony w tej cząsteczce przyspieszają niczym w miniaturowym akceleratorze, wnikając do jądra atomu i dostarczając danych, które wcześniej można było uzyskać tylko w gigantycznych instalacjach badawczych.
Elektrony jako „mikrosondy” wnętrza atomu
Zespół fizyków, kierowany przez Ronalda Fernando Garcię Ruiza z MIT, opracował sposób wykorzystania elektronów wewnątrz cząsteczki do badania jądra atomowego. Gdy atom radu zostaje połączony z fluorem, powstaje silne wewnętrzne pole elektryczne, które przyspiesza elektrony – podobnie jak w prawdziwym akceleratorze cząstek.
W efekcie część z nich na krótko wnika do jądra, pozwalając naukowcom zmierzyć subtelne przesunięcia energii. To pierwsze tak dokładne „pomiary wewnątrz jądra”, które mogą pomóc zrozumieć jego strukturę magnetyczną i rozkład ładunków.
„Mamy teraz dowód, że możemy pobierać próbki z wnętrza jądra” – mówi Garcia Ruiz. „To jak pomiar pola elektrycznego baterii: wszyscy potrafią zmierzyć napięcie na zewnątrz, ale zajrzenie do środka to zupełnie inna liga”.
Dlaczego akurat rad?
Rad (Ra) to pierwiastek wyjątkowy – jego jądro nie jest idealnie kuliste, lecz ma kształt gruszki. Ta asymetria sprawia, że jest szczególnie podatny na badanie naruszeń fundamentalnych symetrii fizycznych, które mogłyby wyjaśnić największą zagadkę współczesnej fizyki: dlaczego Wszechświat składa się głównie z materii, a nie z antymaterii.
W teorii Wielkiego Wybuchu obie formy materii powinny powstać w równych ilościach. Tymczasem dziś antymateria jest niemal nieobecna. Fizyków od lat dręczy pytanie: gdzie się podziała?
Cząsteczki zawierające rad mogą dać odpowiedź. „Przewiduje się, że jądro radu będzie wzmacniaczem łamania symetrii, bo jest asymetryczne pod względem ładunku i masy” – wyjaśnia Garcia Ruiz.
Mini-akcelerator przyszłości
Tworzenie monofluorku radu nie jest łatwe. Rad jest radioaktywny i szybko się rozpada, więc naukowcy potrafią wytworzyć jedynie niewielkie ilości cząsteczek RaF. W eksperymencie cząsteczki zostały spowolnione, schłodzone i naświetlane laserami, co pozwoliło zmierzyć drobne zmiany energii elektronów.
„Te molekuły działają jak miniaturowe zderzacze” – mówi współautor Silviu-Marian Udrescu. – „Pole elektryczne wewnątrz cząsteczki jest tysiące razy silniejsze niż to, co możemy stworzyć w laboratorium. To naturalny akcelerator cząstek w skali atomowej”.
Krok w stronę nowej fizyki
Zespół MIT uważa, że ich metoda może zapoczątkować nową erę badań jądrowych. W przyszłości może umożliwić pomiar subtelnych efektów kwantowych, które dotąd wymagały kolosalnych nakładów energii i infrastruktury.
„To dopiero początek” – podkreśla Shane Wilkins z Uniwersytetu Stanowego Michigan. „Nasze wyniki są wstępne, ale otwierają zupełnie nowy sposób patrzenia na wnętrze atomów. Jeśli uda nam się wykorzystać tę technikę szerzej, możemy w końcu znaleźć ślady asymetrii, które tłumaczą brak antymaterii we Wszechświecie”.
Co to oznacza dla nauki?
To odkrycie jest jak mikroskop dla fizyków jądrowych. Pozwala zaglądać tam, gdzie wcześniej potrzebne były maszyny za miliardy dolarów. W jednej cząsteczce naukowcy zdołali stworzyć miniaturę akceleratora, który działa w skali subatomowej.
Jeśli ta technika zostanie rozwinięta, może zrewolucjonizować sposób, w jaki bada się strukturę materii – i przybliżyć nas do odpowiedzi na pytanie, dlaczego istniejemy.
Badanie opublikowano w czasopiśmie Science .